第8章----聚合物纳米复合材料.pptxVIP

第8章 聚合物纳米复合材料;复合材料？;;第一节 前言;三、复合材料的发展历史和意义 ;第二节 复合材料概述;由基体和增强剂两个组分构成： 基体：构成连续相； 增强剂（增强相/增强体）：独立形态分布于基体中的分散相，会使材料的性能显著改善和增强。 增强剂（相）一般较基体硬，强度/模量较基体大，或具有其它特性。可以是纤维状、颗粒状或弥散状。增强剂（相）与基体间存在着明显界面。 ;普通复合材料：普通玻璃、合成或天然纤维增强普通聚合物复合材料，??玻璃钢、钢筋混凝土等。 先进复合材料：高性能增强剂（碳、硼、氧化铝、SiC纤维及晶须等）增强高温聚合物/金属/陶瓷和碳（石墨）等复合材料。 比强度和比刚度应达到400MPa /(g/cm3)和40GPa/(g/cm3) 。;结构复合材料 功能复合材料 结构/功能一体化;聚合物基复合材料最高耐温上限为350?C； 金属基复合材料据基体不同，使用温度在350 ?1100?C 陶瓷基复合材料达1400?C 碳/碳复合材料可达2800?C;界面是指基体与增强相间化学成分有显著变化的、构成彼此结合的、能起载荷传递作用的微小区域。 界面是多层结构的过渡区域，约几个纳米到几个微米。 ;1）基体应有足够韧性/强度，能将外载荷均匀传递到增强剂 2）基体中存在的局部应力不应在增强剂上形成高局部应力 3）基体与增强相热膨胀系数差异对界面结合/性能产生影响 ;基于树脂对纤维表面浸润，即物理/化学吸附。 浸润不良会在界面上产生空隙，导致界面缺陷和应力集中，使界面强度下降。良好的或完全浸润可使界面强度大大提高，甚至优于基体本身的内聚强度。;当复合材料不同组分表面带有异性电荷时，将发生静电吸引。仅在原子尺度量级内静电作用力才有效 。;几种界面粘结理论; 1）三点弯曲法 ;复合材料成型时，基体固化会发生体积收缩，而增强体体积相对稳定，使界面产生内应力，同时增强体-基体间热膨胀系数不同，也会产生界面热应力。他们和称为界面残余应力。 ;基体和颗粒共同承受外来载荷；颗粒可阻碍基体位错运动和裂纹扩展，可使裂纹偏转，消耗较多断裂能，提高强度。;?; 弹性模量 、抗张强度、泊松比、剪切强度等性能均符合 混合定律。如果考虑界面效应，通常是在纤维的影响因子前面乘以一个系数。在平行于纤维长度方向的强度计算，主要考虑基体的强度和纤维与基体的结合强度。 ;第五节 高聚物基复合材料;为线形或有支链的高分子，可溶可熔，可反复加工而无化学变化。包括各种通用塑料 、工程塑料和特种耐高温聚合物(聚酰胺、聚醚醚酮等)。; 必须加入固化剂才能使环氧树脂变为三维结构。常用固化剂包括脂肪族/芳香族胺、有机多元酸或酸酐等。 ; 半结晶型，Tg为143?C，熔点为334?C，结晶度20-48%。 热分解温度为650?C，加工温度在370?420?C，断裂韧性极高，具有优秀阻燃性。PEEK基复合材料可在250?C长期使用。;比重低 组成元素位于元素周期表中第二/三周期 共价键结合 高比强度、比刚度和高温稳定性;;碳纤维制备工艺流程;在惰性气氛中1000~1500?C加热，非碳原子(N/H/O)将逐步被驱除，碳含量增加，固相间发生一系列脱氢、环化、交链和缩聚等化学反应，此阶段称为脱碳过程，形成由小的乱层石墨晶体组成的碳纤维。;不同品种碳纤维的力学性能 ;制备工艺：化学气相沉积(CVD) 2BCl3 + 3H2 ? 2B ? + 6HCl ? ; 室温下硼纤维化学稳定性好，但表面具有活性，不需要处理就可与树脂复合，其复合材料层间剪切强度高。对于含氮化合物亲和力大于含氧化合物。但在高温下易与大多数金属反应，需在纤维表面沉积保护涂层，如SiC和B4C等。 硼纤维主要用于聚合物基和铝基复合材料。; 碳化硅纤维具有很高的比强度、比刚度，耐腐 蚀、抗热震、热膨胀系数小、热传导系数大等优点 同时还具有良好的抗氧化和高温性能，其室温性能 可保持到1200?C。其成本下降的潜力很大。适合于 制备树脂、金属及陶瓷基复合材料。 制备方法：先驱体转化法、CVD法 ; 直径100 ? 140 ?m；抗张强度3500MPa ；弹性模量400GPa；密度：3.0?3.4 状态：连续单丝。 制备方法：将基体丝连续通过玻璃管状反应器，并在加热到1200 ~ 1300?C的同时通入适量的氯硅烷与氢气的混合反应气体反应气体在热丝上发生热解反应生成SiC CH3 SiCl3 + H2 ? SiC? + HCl? + ??? 并沉积在热丝上形成带有芯（丝）材的连续SiC纤维;指具有一定长径比和截面积小于 5